AJUSTE DA COMPOSIÇÃO QUÍMICA DO AÇO CA-50
EM USINA SIDERÚRGICA SEMI-INTEGRADA
Raul Rodrigues Pereira
Rio de Janeiro
2009
Raul Rodrigues Pereira
Aluno do curso de Tecnologia em Processos Metalúrgicos
Matrícula 0613800008
AJUSTE DA COMPOSIÇÃO QUÍMICA DO AÇO CA-50
EM USINA SIDERÚRGICA SEMI-INTEGRADA
Trabalho de Conclusão de Curso, TCC, apresentado ao Curso
de Graduação em Tecnologia em Processos Metalúrgicos, da
UEZO como parte dos requisitos para a obtenção do grau de
Tecnólogo em Tecnologia em Processos Metalúrgicos, sob a
orientação do Prof. Mauro Carlos Lopes Souza.
RIO DE JANEIRO
DEZEMBRO DE 2009
Ajuste da composição química do aço CA-50
em usina siderúrgica semi-integrada.
Elaborado por Raul Rodrigues Pereira
Aluno do curso de Tecnologia em Processos Metalúrgicos da UEZO
Este trabalho de Graduação foi analisado e aprovado com
Grau: ..................................
Rio de Janeiro, ______ de _____________ de 2009
_______________________________________________________________________
Prof. Mauro Carlos Lopes Souza, DSc.
(Orientador)
_______________________________________________________________________
Prof. José Roberto Moreira Ribeiro Gonçalves, Esp.
_______________________________________________________________________
Prof. Helton Luiz Alves Costa , MSc.
Dedico este trabalho aos meus pais Gilberto e Jacqueline,
pelo amor e confiança que depositaram em mim e que me
impulsionaram para mais essa vitória.
RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL
DEZEMBRO DE 2009
O momento mais importante desse relatório é agradecer às pessoas
que contribuíram com seu tempo, dedicação e presença marcante
nos períodos mais difíceis.
Começo agradecendo a Jesus Cristo que esteve presente não só
agora, mas em todos os momentos da minha vida, quando eu estava
desanimado sua presença sempre me fortaleceu e me encorajou a
continuar, “Se te mostras fraco no dia da angústia, a tua força é
pequena”.(Provérbios 24.10).
Ao meu orientador, Mauro Carlos Lopes Souza agradeço pela
grande ajuda e atenção.
Resumo
O presente trabalho apresenta o processo geral de produção de aço em uma usina
siderúrgica semi-integrada, enfatizando o refino secundário de aço. Neste trabalho são
descritos os processos de refino secundário para o ajuste da composição química de aços
CA-50 no Forno Panela.
Palavras-chave: Refino secundário, aciaria, aço CA-50, Forno Panela.
Sumário
1 - Introdução
2 - O estado da arte
2.1 - Aço
2.2 - Usinas siderúrgicas
2.3 - Aciaria
2.4 - Lingotamento contínuo
2.5 - Laminação
2.6 - Processo geral de produção em uma usina siderúrgica semi-integrada
2.6.1 - Processo, produção e equipamentos
2.6.2 - Pátrio de sucata
2.6.3 - Classificação de materiais metálicos
2.6.4 - Características gerais das sucatas
2.6.5 - Sucata com elementos de ligas
2.6.6 - Sucata de aço carbono
2.6.7 - Necessidade de preparação da sucata para a produção de aço
3 - Metodologia
3.1 - O processo de fabricação do aço
3.2 - Matérias primas usadas no Forno Elétrico a Arco (FEA)
3.3 - Principais etapas envolvidas no FEA
3.4 - O Forno Panela
3.4.1 - Objetivos do Forno Panela
3.4.2 - As principais vantagens econômicas podem ser resumida em
3.5 - Ajuste da composição química dos aços CA-50 em usina siderúrgica
semi-integrada
3.6 - Vazamento do aço líquido na panela
3.6.1 - Na temperatura pré-estabelecida
3.6.2 - Pouca escória no vazamento do aço líquido
3.6.3 - Quantidade de aço líquido na panela
3.6.4 - Adequação da composição química do aço
3.7 - Operação vazamento do aço líquido na panela
3.8 - Etapas para remoção de impurezas do aço
3.8.1 - Desoxidação
3.8.2 - Rinsagem
3.8.3 - Dessulfuração
4 - Resultados
4.1 - Operação de amostragem de temperatura e composição química
4.2 - Retirada de amostra e ajuste da composição química
4.3 - Informações técnicas do processo no Forno Panela
5 - Conclusão
6 - Referências Bibliográficas
Apêndice I
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33
36
2 - O estado da arte
2.1 - Aço
Aço é uma liga metálica formada essencialmente por ferro e carbono, com percentagens
deste último variáveis entre 0,008 e 2,11%. Distingue-se do ferro fundido, que também é
uma liga de ferro e carbono, mas com teor de carbono entre 2,11% e 6,67%. A diferença
fundamental entre ambos é que o aço, pela sua ductibilidade, é facilmente deformável por
forja, laminação e extrusão, enquanto que uma peça em ferro fundido é fabricada pelo
processo de fundição, em moldes que produzem as peças em suas formas definitivas. [1]
No aço comum o teor de impurezas (elementos além do ferro e do carbono) estará sempre
abaixo dos 2%. Acima dos 2 até 5% de outros elementos já pode ser considerado aço de
baixa-liga, acima de 5% é considerado de alta-liga. O enxofre e o fósforo são elementos
prejudiciais ao aço, pois acabam por intervir nas suas propriedades físicas, deixando-o
quebradiço. Por isso seus teores devem sempre ser inferiores a 0,005% e estar presente no
aço em nível de traços. [2]
Os principais insumos empregados na fabricação do aço são o minério de ferro, o carvão, a
sucata e a energia elétrica. A importância desses insumos varia de acordo com a tecnologia
adotada em cada usina siderúrgica. [1]
2.2 - Usinas siderúrgicas
Existem dois tipos de usinas siderúrgicas:
1) Usinas siderúrgicas integradas: São usinas que operam as três fases básicas: redução,
refino e laminação. Nas usinas integradas o combustível mais utilizado é o carvão mineral.
2) Usinas siderúrgicas Semi-integradas: São usinas que operam duas fases básicas: refino e
laminação. Estas usinas partem do ferro gusa, ferro esponja ou sucata metálica adquiridos
de terceiros para transformá-los em aço nas aciarias elétricas e sua posterior laminação. O
insumo mais utilizado são as sucatas de aço. [5]
A redução é o processo em que o ferro se liquefaz e é chamado de ferro gusa ou ferro de
primeira fusão. Impurezas como calcário, sílica, etc. formam a escória, que é matériaprima para a fabricação de cimento.
Os equipamentos empregados nesta etapa são a coqueria, que transforma o carvão mineral
em coque e o alto-forno, cujo produto final é o ferro-gusa. A segunda é denominada refino.
Nesta fase o ferro gusa é levado para a aciaria, ainda em estado líquido, para ser
transformado em aço, mediante queima de impurezas e adições de elementos de liga. O
refino do aço se faz em conversores a oxigênio que é um equipamento altamente eficiente
para converter ferro gusa em aço por meio da injeção de oxigênio. [4]
Finalmente, a terceira fase do processo de fabricação do aço é a laminação. O aço, em
processo de solidificação, é deformado mecanicamente e transformado em produtos
siderúrgicos utilizados pela indústria de transformação, como chapas grossas e finas,
bobinas, vergalhões, arames, perfilados, barras etc. [2]
O processo produtivo das usinas semi-integradas compreende apenas as duas últimas
etapas, quais sejam o refino e a laminação e utiliza a sucata ferrosa como insumo básico.
Nestas usinas, a depuração química da carga metálica é realizada em fornos elétricos,
tendo a eletricidade como fonte de energia preponderante.
2.3 - Aciaria
A aciaria é um setor dentro de uma usina siderúrgica onde o ferro gusa a ser transferido da
unidade do alto-forno, ainda se encontra em estado líquido (ainda não é aço devido ao alto
teor de carbono em torno de 4%), para ser obter aço o ferro gusa necessita ser refinado. Na
aciaria de uma usina semi-integrada é utilizado um Forno Elétrico a Arco (FEA) para
fundir o material metálico (sucata) diferente da aciaria de uma usina integrada. O insumo
da aciaria de uma usina siderúrgica integrada é o gusa líquido (possui em torno de 4% de
carbono). Na aciaria ocorre o ajuste da composição química do aço e controle da
temperatura de saída para o lingotamento contínuo. [5]
2.4 - Lingotamento Contínuo
Ao chegar no Lingotamento Contínuo (LC), o aço se encontra em altas temperaturas (cerca
de 1520°C). O objetivo do LC é transformar aço líquido em produtos semi-acabados
(barras) para serem enviados à laminação (ou vendidos).
É capaz de garantir melhor rendimento na aciaria e na laminação, redução de passes na
laminação, melhorar a qualidade superficial e produzir um aço de melhor qualidade. O
Lingotamento Contínuo se inicia após o processo de refino executado no Forno Panela. O
aço é então, transferido para a panela do distribuidor e, em seguida, para o molde, onde se
inicia a solidificação, que é finalizada na zona de resfriamento secundário. Na zona de
corte (tesouras ou maçaricos) o aço deve estar totalmente solidificado, permitindo o corte
das barras nos comprimentos desejados. [5]
Os LCs também podem produzir outros formatos e secções nos aços lingotados, podendo
ser produzidos blocos e placas que possuem maiores dimensões de secção que as barras
redondas. Para produzir blocos e placas necessita-se de máquinas com projetos específicos.
2.5 - Laminação
Consiste na redução da área da seção transversal, com consequente alongamento, do
produto recebido do lingotamento, para conformá-lo na apresentação desejada (chapas
grossas, finas,barras redondas, perfis....). Dependendo da espessura, as chapas podem ser
fornecidas sob a forma de bobinas, mas este acondicionamento pode não ser adequado ao
uso em perfis soldados, pois as chapas têm a tendência de retornar a sua posição deformada
na bobina, por ocasião da soldagem dos perfis. [4]
2.6 - Processo geral de produção em uma usina siderúrgica semi-integrada
A figura seguir apresenta o fluxograma do Processo de Produção em uma Usina SemiIntegrada.
Figura 1) Fluxograma do Processo de Produção na Aciaria semi-integrada (CMC Steel Alabama 2009)[9]
2.6.1 - Processo, Produção e Equipamentos.
O processo de produção de uma Aciaria é constituído essencialmente pelo Pátio de Sucata,
FEA, Forno Panela e Lingotamento Contínuo.
2.6.2 - Pátio de Sucata
O Pátio de Sucatas é o setor que prepara a carga metálica a ser utilizada na aciaria para o
processo de produção do aço. Neste setor, ocorre o recebimento de sucatas, por meio de
caminhões previamente pesados. As sucatas são classificadas, separadas e processadas por
meio de máquinas operatrizes. As principais máquinas são: pontes rolantes, guindastes,
prensas e tesoura móvel.
Figura 2) Prensa móvel – (Sinobras, 2009)[10]
2.6.3 - Classificação de materiais metálicos
O objetivo de classificar materiais metálicos está no fato de agrupá-los por suas
características, tais como: tamanho, comprimento, densidade e composição química. Para
classificar os materiais metálicos, podem ser usados os seguintes métodos: análise química,
teste com imã e inspeção na descarga, conforme mostrado na tabela 1.
Tabela 1) Explicação dos métodos utilizados para a classificação de materiais metálicos.
Método
Utilização
Tempo de Custo
Indicados para uso
Análise
Analisa todos os
execução
Lento
Alto
Metálicos com residuais
química
Teste com imã
elementos químicos
Somente informa se a
Rápido
Baixo
Metálicos inox 300 e
sucata é magnética
Inspeção na
Inspeções visuais podem
descarga
ocorrer erros. Pessoas
aços alto manganês não
Imediato
Baixo
imantam
Qualquer caso
treinadas erram menos
Fonte: NBR 8747 (Terminologia), Norma que define as formas utilizadas nos diversos tipos de sucata, em
função de sua classificação (NBR 8746).
Utilizando estes métodos, os materiais metálicos são classificados, conforme suas
características, sendo, então, encaminhados para uso imediato ou para os equipamentos de
industrialização. Os insumos mais utilizados na aciaria elétrica são sucatas de aço e ferro
gusa.
2.6.4 - Características gerais das sucatas
- Composição química: sucata com elementos de liga, sucata de aço carbono.
- Necessidade de preparação: sucatas prontas para uso e sucatas a serem beneficiadas.
- Formato: sucata solta, sucata cortada, sucata prensada e sucata triturada.
2.6.5 - Sucata com elementos de ligas
É a que contém elementos de liga em sua composição química. Os elementos de liga mais
comumente encontrados são: o cromo (Cr), o níquel (Ni), vanádio (Va), molibdênio (Mo) e
cobre (Cu).
Não há valores exatos para definir quando uma sucata deve-se enquadrar no grupo de
sucatas com elementos de liga. Para efeito de especificação e controle, os teores dos
elementos anteriormente mencionados devem estar acima de 1,5% para que se enquadrem
como sucatas ligadas, tendo em vista que o ferro deve ser predominante no aço. [5]
2.6.6 - Sucata de aço carbono
Nesta sucata, também chamada sucata ferrosa, o ferro como na maioria dos aços é o
elemento predominante (em torno de 98% de Fe), seguido do carbono com teores abaixo
de 2,11%, podem ser encontrados os seguintes elementos na tabela a seguir:
Tabela 2) Elementos encontrados em sucatas de aço carbono
Metálicos
Cromo (Cr)
Níquel (Ni)
Molibdênio (Mo)
Cobre (Cu)
Estanho (Sn)
Chumbo (Pb)
Não metálicos
Fósforo (P)
Enxofre (S)
Silício (Si)
Silício (Si)
Arsênio (As)
Fonte: Introdução à Siderurgia, Edição: 2007.
Os elementos chamados de residuais podem prejudicar a qualidade do aço produzido,
quando seus teores forem superiores aos valores especificados na composição química dos
aços. [4]
Tabela 3) Resumos dos elementos residuais
Elemento químico
Cu, Sn, Pb
Cr, Ni, Mo, Va
Ação
São residuais metálicos em quaisquer aços.
São residuais metálicos em aços ao carbono. Em aços especiais,
P, S
podem ser usados.
São residuais não metálicos em quaisquer aços
Fonte: CHIAVERINI, Vicente, 1914 – Tecnologia mecânica / tratamento, 2a edição, São Paulo: Mc Graw-Hill,
1986.
2.6.7 - Necessidade de preparação da sucata para a produção de aço
As sucatas que necessitam ser preparadas são aquelas que são beneficiadas para aumentar a
densidade, reduzir impurezas (óxidos, silicatos, etc) e diminuir os elementos residuais (P,
S, etc). Os principais equipamentos utilizados para o beneficiamento de sucatas são:
Tabela 4) Processo de beneficiamento e o produto de sucata obtido.
PROCESSO
Maçaricos de Oxi-corte
Prensa Pacote
Prensa Tesoura
Shredder
PRODUTO
Maçaricada (Baixa Produção)
Pacotes (Média Produção)
Tesourada (Alta Produção)
Shredded (Alta Produção)
Sucatas prontas para a utilização são aquelas que possuem materiais de constituição bem
definidos e conhecida e, como o próprio nome diz, não precisam de nenhum
beneficiamento para ser utilizada no processo de produção de aço.
Após a classificação das sucatas, o mesmo é alojado no pátio de sucatas e são separados
conforme as especificações de tamanho, composição química, formato e densidade. Para a
produção de um aço utiliza-se a sucata mais apropriada para o processo.
3 - Metodologia
3.1 - O processo de produção de aço
O processo de fabricação do aço inicia-se na aciaria e tem como principal matéria-prima o
ferro, que pode estar em forma de: sucata, gusa (sólido e/ou líquido) e ferro-esponja.
A fabricação do aço requer muita atenção, pois sua composição química muda conforme o
produto final. Para cada tipo de aço a ser fabricado utiliza-se uma sucata apropriada.
Muitas aciarias utilizam o Forno Elétrico a Arco (FEA) para fundir a carga metálica.
O FEA é considerado o elemento principal de toda a aciaria; todo processo pode ser
comprometido se o forno parar por um tempo considerável. Esta fusão é realizada por meio
da introdução no forno de três eletrodos de grafita, os quais originarão arcos voltaicos,
promovendo a fusão por efeito Joule. A temperatura média obtida é de cerca 3500ºC.
Devido a sua alta temperatura de trabalho, estes eletrodos feitos de carbono tendem a se
oxidar e consumidos quando aquecidos. Por isso, existe um contínuo fluxo de água
escoando pela superfície dos eletrodos promovendo uma isolação química e refrigeração
dos mesmos. O forno tem uma capacidade de alimentação de 100 toneladas.
Figura 3) Forno Elétrico a Arco (Siemens VAI,2009)[11]
Durante os dois carregamentos para o preparo do aço, os cestões levam 30% da massa total
em ferro gusa sólido e o restante em sucata já processada. O primeiro carregamento tem o
maior peso, pois acomodam, além da sucata, o ferro gusa sólido.
Durante a fusão, são introduzidas no forno duas lanças. Uma delas injetando oxigênio
gasoso e outra, coque. Os óxidos serão os compositores da escória. Esta será composta por
substâncias surgidas por afinidade de reação com o oxigênio, e suas componentes
metálicas são: alumínio, manganês, magnésio, silício, tungstênio, cromo e enxofre. Alguns
óxidos, os mais pesados, demoram a reagir e acabam não se precipitando em escória, os
óxidos possuem densidade menor que os correspondentes metais. Por isso, ficam
sobrenadantes. [3]
Após toda fusão, a escória flota e sai naturalmente por meio de uma porta. Neste momento,
no final de toda corrida, quase toda escória é expulsa e o conteúdo do forno atinge a sua
maior temperatura. A temperatura é medida por meio de um termopar descartável (que
funde rápido) que o robô imerge no banho por meio de uma lança. Termômetros medidores
de radiação infravermelho não são aplicáveis, pois não são capazes de medir a temperatura
do banho. A todo este processo, ocorrido no FEA, dá-se o nome de Refino Primário.
3.2 - Matérias Primas usadas no Forno Elétrico a Arco (FEA):
a) Sucata: Material reciclado proveniente de produtos feitos de aço (veículos, máquinas,
estruturas metálicas, etc).
b) Gusa: Material produzido em Altos Fornos. Adicionado até 10% da carga fria, capaz de
elevar o percentual de carbono no banho e é isento de elementos químicos residuais (Cu,
Sn, Cr, Ni, Mo, etc).
c) O Ferro-Esponja: É produzido no processo de redução. Adicionado até 10% da carga
fria. Possui composição química conhecida e não introduz elementos químicos residuais
normalmente encontrados na sucata.
d) Cal: Provém de uma rocha constituída de cálcio chamada calcário. É a mesma usada na
construção civil para pintar, fazer argamassa etc. É o formador de escória, captando
impurezas do banho (cal calcítica) e protegendo o revestimento refratário do ataque
químico (cal dolomítica) além de remover o P, S, Si, etc.
e) Energia: Elétrica (a mesma utilizada nas residências) e química através do uso moderado
de oxigênio e gás natural. Principal fonte de energia para a fusão é o calor do arco elétrico
estabelecido entre os eletrodos e a sucata.
Os principais objetivos do Forno Elétrico a Arco são:
- Fusão da carga metálica;
- Descarburação (queima do carbono);
- Elevação da temperatura do banho metálico;
- Desfosforação (em alguns casos).
3.3 - Principais etapas envolvidas no FEA:
I. Carregamento: Sucata adicionada no Forno, através de cestões preparados no Pátio de
Sucata. Normalmente utilizam-se de 3 a 4 cestões por corrida de aço. [5]
Figura 4) Cestão de carregamento de sucata (Konus Icesa S/A,2009)[12]
II. Fusão: Após o primeiro carregamento inicia-se a fusão da carga. Quando a sucata
estiver suficientemente fundida, adiciona-se o segundo cestão. Realiza-se nova fusão e o
terceiro cestão é adicionado. Depois ocorre nova fusão da carga. A principal fonte de
energia para a fusão é o calor do arco elétrico estabelecido entre os eletrodos e a sucata.
Figura 5) Fusão em Forno Elétrico. (Introdução a siderurgia, 2007)[13]
III. Refino: Inicia-se após a última etapa de fusão. Possui a função de diminuir o teor de
carbono (descarburação) e de fósforo (desfosforação) do banho líquido. Para isto são
adicionados oxigênio e carbono através de lança manual ou por sistema automatizado, em
operação chamada de refino oxidante. O oxigênio reage com diversos elementos, formando
a escória do Forno. Oxigênio é injetado com carvão para formar CO na escória, formando
uma espuma. A espuma formada favorece a fusão, podendo aumentar a eficiência em mais
de 20%. A espuma protege o refratário do Forno do desgaste excessivo, reduz
consideravelmente o ruído provocado pelo arco elétrico e diminui a perda de calor para as
paredes do Forno. A desvantagem é o aumento da geração de gás CO.
Figura 6) Refino oxidante. – (Gallatin Steels, 2009)[14]
IV. Vazamento: Após atingir o percentual de carbono (C) e a temperatura desejados,
ocorre o vazamento do aço na panela, juntamente com a adição de ferros ligas dando início
à desoxidação.
Figura 7) Carregamento do forno e formação do primeiro arco (UCAR CARBON COMPANY , 2001)[15]
Figura 8) Fusão total da carga e vazamento do forno elétrico a arco (UCAR CARBON COMPANY , 2001)
[15]
A partir deste instante, o conteúdo do forno, agora aço, é vazado em uma panela, a qual já
está posicionada – e previamente aquecida para minimizar os choques térmicos – cuja
função é receber o aço fundido. O Trolley, porta panela, será o meio responsável pelo
transporte da panela entre a primeira e a segunda fase. A segunda fase em que ocorrerá o
refino do aço é chamado de Forno-Panela, Forno LF ou FP, pois é neste que ocorrerá todo
procedimento de reaquecimento e homogeneização de substâncias.
Nessa etapa do processo, o aço fundido receberá uma mistura de outros elementos a fim de
atingir a especificação do produto solicitado. Um exemplo típico é a adição de ligas ferrosílicio (FeSi), ferro silício manganês (FeSiMn) e vanádio (V), podendo-se ainda mais
carburante para atingir a composição correta. Após a adição, de um gás inerte para
rinsagem, jateado a partir do fundo da panela, ocorre a homogeneização do aço. Pode-se
utilizar como gás inerte o nitrogênio ou argônio. Todo este procedimento, ocorrido no
Forno Panela por cerca de 30 minutos, recebe o nome de Refino Secundário.
Todo e qualquer controle, seja elétrico, hidráulico ou pneumático, é feito por operadores,
localizados em cabines protetoras, as quais possibilitam a visão de toda a corrida ou
vazamento de aço. No Forno-Panela, existem também outros três eletrodos de grafita, a fim
de manter a temperatura da mistura por efeito Joule. Uma amostra deve ser coletada e
analisada por um operador para verificação da composição do tipo de aço. As amostras
coletadas são resfriadas, esmerilizadas a fim minimizar rugosidades, colocada em um
queimador e então analisadas por meio de um espectrômetro.
Caso o aço ainda não esteja no padrão determinado, uma correção deve ser realizada no
banho ainda no Forno-Panela; as taxas de correção dos componentes variam de acordo
com o produto final. Neste instante, no final de todo o processo de fornos, deve ocorrer o
vazamento de aço a uma temperatura média de 1560ºC.
3.4 - O Forno Panela
No Forno Panela, ocorre o ajuste da composição química e dado um sobreaquecimento
para compensar as perdas térmicas (ambiente), o oxigênio controla a química do processo,
estando ele tanto na forma de óxidos quanto livre. É preciso ajustá-lo e, para isso, são
usadas escórias.
As escórias no Forno Panela absorvem os óxidos, controlam o ataque aos refratários,
reduzem as perdas térmicas e fazem parte de todo processo onde exista aço líquido.
O Forno Panela tem a função de aumentar a produtividade dos Fornos Elétricos de Fusão
acertar a composição química específica para cada tipo de aço, e a temperatura de
vazamento, conferir homogeneidade química à corrida (banho) e conferir a homogeneidade
térmica do aço. O Forno Panela é capaz de aumentar a produtividade dos FEAs uma vez
que permite :
- A adição de carvão e ferro-liga, liberando o FEA desta etapa;
- Acertar a composição química específica para cada tipo de aço por meio do acerto do teor
de carbono com o carvão e acerto dos outros elementos (Mn/Si) com ferro-liga
(FeSiMn/FeSi);
- Estabelecer a temperatura de vazamento durante o processo de acerto da composição
química, até atingir a temperatura ideal para o lingotamento;
- Conferir homogeneidade química à corrida (banho) e conferir homogeneidade térmica ao
aço. [8]
Para garantir a homogeneidade do banho durante toda a corrida, o aço é “borbulhado” com
argônio ou nitrogênio (gases inertes) através de plug poroso no fundo da panela, para
garantir uniformidade térmica e química do banho e auxiliar a flotação de inclusões e
escória. A este procedimento dá-se o nome de rinsagem.
Com a composição química e a temperatura acertada, libera-se a panela para o
lingotamento contínuo. A checagem da composição é feita por meio da coleta de amostra e
análise no espectrômetro de emissão ótica para análise química das amostras e de escórias.
[5]
Figura 9) Forno Panela – (As Minas Gerais, 2009)[16]
3.4.1 - Objetivos do Forno Panela
1- Aumentar a produtividade do forno elétrico, ao produzir aços especiais, transferindo-se
as operações antes realizadas com uma segunda escória, para o forno de tratamento.
2- Melhor controle da temperatura para o Lingotamento Contínuo.
3- Maior facilidade em atingir limites estreitos de composição e de propriedades
mecânicas.
4- Obtenção de níveis de hidrogênio inferiores a 1,5 ppm e alcançar reduzidos teores de
enxofre.
5- Fabricação de aços para esmaltação ou inoxidáveis ferríticos de baixo teor de Carbono.
6- Produção de aços ao cromo contendo carbono, em conversor a oxigênio.
7- Obtenção de níveis bastante baixos de enxofre, (normalmente inferiores 0,010%).
3.4.2 - As principais vantagens econômicas podem ser resumidas em:
a) Redução nos gastos com materiais, tais como os elementos de liga,
b) Menor consumo de energia,
c) Aumento de produção, pois a unidade primária é aliviada de todo o trabalho
metalúrgico, como: descarbonetação, dessulfuração, ajustes de composição, etc.
3.5 - Ajuste da composição química dos aços CA-50 em usinas siderúrgicas
semi-integradas.
O termo CA é uma abreviatura de Concreto Armado. Os Vergalhões CA-50 são barras de
aço com superfície nervurada, obtidas por laminação a quente de barrass de lingotamento
contínuo e utilizados em armaduras para concreto armado. Produzidos de acordo com as
especificações da norma NBR 7480/96. O sucesso do concreto armado se deve,
basicamente, a três fatores:
− Aderência entre o concreto e a armadura;
− Valores próximos dos coeficientes de dilatação térmica do concreto e da armadura; e
− Proteção das armaduras feita pelo concreto envolvente.
Tabela 5) Composição química das barras de aço CA-50
Elementos determinados %
Ferro (Fe)
Aço CA-50
98,77
Carbono (C)
0,26
Manganês (Mn)
0,91
Fósforo (P)
0,03
Enxofre (S)
0,026
O ajuste da composição química dos aços CA-50 utilizando sucatas de procedências
diferentes são apresentadas a seguir:
3.6 - Vazamento do aço líquido na panela
6.1.1 - Na temperatura pré-estabelecida;
6.1.2- Com o mínimo de escória do forno;
6.1.3- Quantidade correta de aço;
6.1.4- Composição química adequada.
3.6.1– No momento do vazamento a panela, deve estar, segundo a gíria siderúrgica “quase
branca”, ou seja, deve estar muito bem aquecida. Panelas aquecidas apresentam menores
perdas de temperatura do aço liquido. Pois não haverá muita troca de calor entre o aço e a
panela. [6]
A panela deve ficar pouco tempo na frente do forno, aguardando o vazamento, para
minimizar as perdas de temperatura para o ambiente. Caso contrário a panela perderá
temperatura prejudicando o ciclo. [7]
Panelas fora do ciclo de operação consomem mais energia e consequentemente roubam
mais calor do aço líquido. Panelas “sujas” com escórias agregadas ao refratário também
consomem mais energia e sujam o aço já processado. Normalmente, as perdas de
temperatura apresentam pequena variação, do vazamento até a chegada da panela, na
estação do Forno Panela. Quantos menos ocorrerem anomalias que alterem estas
condições, melhores serão os resultados (custo e qualidade) do Forno Panela.
3.6.2 - Pouca escória no vazamento do aço líquido
Em geral os fornos das aciarias possuem um moderno sistema de retenção de escória
chamado EBT (Excentric Botton Tapping ou vazamento excêntrico pelo fundo) ou
similares. Tal sistema possibilita o vazamento do aço quase livre de escória.
3.6.3 - Quantidade de aço líquido na panela
Muitas aciarias possuem balança na panela de vazamento, que permite exatamente a
quantidade de aço. Quando não existe o registrador de peso, o controle é feito visualmente
pelo operador, pelo nível de aço dentro da panela, em comparação com a borda livre da
mesma ou tijolos refratários da panela. Este controle é necessário para que as ligas
adicionadas no vazamento atinjam as concentrações esperadas.
3.6.4 - Adequação da composição química do aço.
A composição química somente estará adequada após o refino secundário do aço que
ocorre no Forno Panela.
3.7 - Operação de vazamento do aço líquido na panela
A operação do Forno Panela começa no vazamento, sendo de responsabilidade do mesmo a
adição de ligas durante o vazamento. A seguir são mostrados os elementos químicos e a
especificação de cada um:
Carbono (C) - O aço é vazado com o carbono compreendido entre 0,03% e 0,12 %. Este
carbono deve estar abaixo do mínimo de composição química (0,42% como será visto mais
a adiante), para permitir o trabalho metalúrgico (adição de ligas, ligar o Forno Panela,
trabalho com escórias etc). Este aumento de carbono ocorre devido às ligas e fluxantes
conterem carbono. Além disso, como os eletrodos são de grafita (carbono), estes também
cedem carbono ao banho metálico.
Silício (Si) e manganês (Mn) - Ocorre no Forno Panela o atingimento da composição
química destes elementos. Os teores adequados desses elementos no aço são atingidos pela
utilização de compostos de ferro, tais como FeSi, FeSiMn, etc.
Fósforo (P) - Já deve chegar na panela conforme os teores especificados. O FP não tem
recurso metalúrgico para baixar o teor deste elemento. É aconselhado que o forno vaze o
aço com um pouco menos de fósforo que o máximo permitido, pois podem ocorrer
pequenos aumentos de fósforos (0,003%) nas operações do Forno Panela.
Enxofre (S) - O enxofre já deve ser vazado do FEA com teores abaixo da faixa máxima.
Cromo (Cr), cobre (Cu) e estanho (Sn) - O aço vazado já deve conter estes elementos
abaixo da faixa máxima permitida.
Nitrogênio (N) - O nitrogênio começa a ser introduzido na fusão no Forno Elétrico a Arco,
onde seu teor, em qual já é atingido as especificações químicas. Após o vazamento seus
teores tendem sempre a aumentar.
Hidrogênio (H) - Em geral, não consta nas especificações, porém, ele influi em muito, na
qualidade dos produtos lingotados. O hidrogênio sempre vai estar presente, pois, chega ao
aço através de produtos metálicos. Nos aços especiais, provoca um defeito chamado de
“flocos” (pequenas trincas internas nas barras) e “Pin Holes” nos aços comuns (pequenos
furinhos na superfície das barras). O hidrogênio é um elemento fragilizante para os aços,
pois, é muito pequeno e pode penetrar facilmente pela rede cristalina dos metais.
Oxigênio (O2) - O oxigênio que está dissolvido no ferro reage com o mesmo, formando
um óxido chamado de óxido de ferro (FeO).
A tabela 6 exibe os teores médios dos elementos residuais no aço em 100 t de aço vazado.
Tabela 6) Valores de concentração de elementos químicos em 100 t de aço vazado.
Elemento
Si
Mn e C
O
FéFe
Concentração
0,04%
0,05%
700ppm
98%
Em 100 t de aço vazado
40 kg
50 kg
70 kg
98000 kg
O carbono combina mais com o oxigênio do que com o ferro. Este elemento, então passa a
ser o responsável pela quantidade de oxigênio dissolvido no banho. O carbono se combina
com o oxigênio dissolvido formando o monóxido de carbono (CO). C% é a concentração
de carbono analisada em espectrômetro e o ppm é a concentração de oxigênio. A tabela 7
abaixo indica que, quanto maior for o teor de carbono do aço vazado, menor será o teor de
oxigênio dissolvido.
Tabela 7) Teores de C e ppm de O2
%C
O2 ppm
0,05
600
0,10
300
0,20
150
3.8 - Etapas para a remoção de impurezas do aço
3.8.1 - Desoxidação - Remoção do oxigênio residual do aço para criar condições
termodinâmicas para a adição de elementos de liga. Os elementos químicos, normalmente
utilizados nas aciarias, e chamados de desoxidantes, são: manganês (Mn), carbono (C),
silício (Si), Alumínio (Al) e cálcio (Ca).
Esses elementos são adicionados na forma de ferro ligas, ou compostos: manganês – FeMn
(ferro manganês), FeSiMn (Ferro silício manganês), carbono – carvão, grafite e coque,
silício – FeSi (ferro silício), SiC (carbureto de silício), alumínio - (Al), Cálcio – CaSi
(cálcio silício). Na ordem dos elementos, na escala de afinidade de combinação com o
oxigênio, os últimos têm mais facilidade de combinação que os primeiros.
3.8.2 - Rinsagem - Rinsagem é o procedimento de injetar gás inerte na panela com aço
líquido, via uma peça refratária, situada no fundo da panela, chamada de plug poroso. O
objetivo é criar uma corrente ascendente no meio metal líquido que tem várias funções
descritas a seguir
Figura 10) Borbulhamento de gás inerte pelo fundo da panela. (Introdução a siderurgia, 2007)[17]
O gás inerte utilizado no ajuste da composição química do aço é geralmente o argônio.
Esta injeção de gás inerte promove: homogeneização da temperatura do aço líquido
contido na panela; homogeneização da composição química do aço e aceleração da subida
dos óxidos formados na desoxidação para a escória. A utilização de gás inerte minimiza a
formação de “Pin Holes” nas barras.
3.8.3 - Dessulfuração - Operação é feita durante a rinsagem, com a panela na estação de
tratamento, e o aço está sendo aquecido. Esta operação metalúrgica é executada com o
objetivo de reduzir o enxofre (S) contido no aço. É importante que o aço já chegue no FP
com teores de enxofre abaixo da especificação do aço, pois a operação de reduzir o enxofre
aumenta os custos aos aços fabricados. [3]
A dessulfuraçao é efetuada pela remoção do enxofre contido no aço pela escória, ficando
nela fixado, sob a forma de sulfeto de cálcio. Porém, as condições para que isto ocorra
devem ser:
1 – Quanto maior for o CaO (cal) livre da escória, mais sulfeto se forma, Isto é obtido
controlando-se a relação de óxidos da escória (CaO/SiO2) no mínimo 2, chamada de
basicidade. A basicidade aumenta a possibilidade de formação de sulfetos ou obtenção de
baixo teor de enxofre no aço.
2- Quanto menor for o oxigênio dissolvido no aço, melhor será a transferência de enxofre
do aço para a escória.
3- Quanto menor a quantidade de oxigênio na escória, menor será o enxofre do aço. Por
isso é que também não deve passar escória do forno que tem alto oxigênio. O nível de
oxigênio da escória é controlado pelos teores de FeO + MnO, sendo estes óxidos
componentes da escória. Para reduzir o enxofre do aço, é preciso que a soma dos dois
esteja em cerca de 2%.
4- Para que a dessulfuração seja eficiente, é preciso que o aço esteja, no mínimo, na
temperatura especificada; não se consegue obter boa dessulfuração com temperatura baixa.
4 - Resultados
4.1 - Operação de amostragem de temperatura e composição química
A primeira tomada de temperatura e retirada de amostra é efetuada após o banho estar
homogêneo térmica e quimicamente. Para se atingir a composição química desejada, são
executadas a retirada de amostras e tomadas de temperatura sempre no mesmo local do aço
na panela, e de preferência, as amostras de composição química devem ser feitas sempre na
mesma temperatura.
As tomadas de temperatura são realizadas por um equipamento chamado termopar, a lança
com o termopar é colocada dentro da panela por um operador. Para realizar a medição de
temperatura no banho, a lâmpada verde do pirômetro deve estar acesa. O termopar deve
ficar fora do olho de rinsagem durante a medição da temperatura para garantir que a
turbulência do aço não interfira na leitura. A luz amarela do pirômetro indica que a leitura
da temperatura está sendo efetuada, a luz vermelha indica término da leitura da
temperatura a lança deve ser retirada do banho no momento que a luz vermelha do
sinalizador acender.
Figura 11) Imagem do display de um pirômetro. (MSI, 2009)[18]
4.2 - Retirada de amostra e ajuste da composição química.
A amostra de aço é retirada através de uma lança, formando-se uma espécie de bolacha que
é retirada da lança ainda incandescente, com uma tenaz o operador pega a amostra e em
seguida coloca-se a bolacha numa pia com água para se solidificar. A bolacha é colocada
numa ferramenta chamada tesoura que serve para cortar a ponta da amostra. Em seguida
serão apresentados os procedimentos realizados para a retirada de amostra até o ajuste da
composição química do aço:
1º Retirada de amostra de aço do forno panela, através de uma lança;
2º Utiliza-se uma tenaz, a amostra é transferida para um reservatório de água para ser
resfriada. A amostra deve ser movimentada dentro do reservatório, para provocar um
resfriamento homogêneo.
3º A amostra é retirada do reservatório e seca com ar comprimido;
4º O cabinho da amostra é cortado utilizando-se tesoura de bancada;
5º A amostra é lixada com lixa número 36 (lixa grossa). Em seguida utiliza-se uma lixa
número 80 (mais fina), após a lixagem a amostra é esfriada num reservatório de água e
secada com ar comprimido. A parte que foi lixada não deve ter contato com nada que
possa transferir gorduras, graxas, sais, umidade, etc.
6º Após lixar as amostras na lixadeira rotativa, a amostra é preparada para análise no
espectrômetro de emissão óptica (preparar a amostra);
7º A checagem da composição é feita por meio da coleta de amostra e análise no
espectrômetro de emissão óptica para análise química das amostras e de escórias.
Figura 12 ) Espectrômetro de emissão óptica – (Universidade de Aveiro, 2009)[19]
Após a análise da composição química executado pelo espectrômetro é feito a comparação
com a composição ideal do aço a ser fabricado. Assim pode-se saber quais elementos
químicos devem ser adicionados na panela para o melhor ajuste da composição química do
aço.
Caso a composição química do aço não esteja dentro dos padrões, ocorre a adição de
elementos para alcançar a composição do aço, via de regra toma-se outra retirada de
amostra e novamente tem-se que comparar as análises feitas no espectrômetro com a
composição química ideal do aço.
Quando o aço esta dentro dos padrões pré-determinados, não é necessário adicionar mais
elementos químicos, todavia a temperatura também deve estar dentro padrões, assim a
panela contendo aço líquido pode ser liberada para a próxima etapa da produção de aço.
4.3 - Informações técnicas do processo no Forno Panela
Antes da panela de aço líquido ir para o LC, o Forno Panela tem que obter informações
sobre a corrida do aço realizado. A tabela abaixo exemplifica valores médios do FP obtidos
durante o refino secundário do aço.
Tabela 8) Informações técnicas do processo no Forno Panela
Si de chegada %
Temperatura de chegada ºC
Temperatura de saída ºC
TAP TO TAP min
Power ON min
Nitrogênio
Argônio - sim
Energia consumida
10
1530
1551
32
11
não
502 l/min
1400 MW
Tempo de permanência de uma corrida no Forno Panela 25 - 45 min
5 - Conclusão
A utilização de sucatas de qualidade no Forno elétrico a arco aumenta o rendimento e a
qualidade do processo da produção de aço. Ocorrendo a redução do custo com a utilização
de elementos de liga, consumo de energia elétrica e tempo. A utilização de panelas limpas
e bem aquecidas no momento do vazamento do aço também é um fator importante.
No refino secundário o objetivo de alcançar a composição química é beneficiado, pois o
aço já chega próximo da composição ideal. Tendo-se uma boa rinsagem no aço, os
elementos de liga adicionados na panela terão melhor homogeneização facilitando a
obtenção do aço com a especificação desejada. O tempo de permanência do aço no Forno
Panela é reduzido e o processo torna-se mais rentável.
Portanto quanto mais próximo a sucata estar da composição química do aço em questão
melhor será o rendimento no refino primário e no refino secundário. Também é importante
ressaltar a experiência do operador no controle do processo tanto no FEA e no FP para que
a produção tenha o objetivo alcançado. O produto final estará dentro das especificações
técnicas e atenderá as necessidades do cliente final.
6 - Referências Bibliográficas
[1] CHIAVERINI, Vicente, 1914 – Tecnologia mecânica / tratamento, 2a edição, São
Paulo: Mc Graw-Hill, 1986.
[2] ARAUJO, L. A. Manual de Siderurgia – Produção. Editora Arte & Cultura, São Paulo:
vol.1. 1997.
[3] CAMPOS, V.F. Tecnologia de Fabricação do Aço, UFMG, Vol.1, Belo Horizonte,
1983
[4] Siderurgia da matéria prima ao aço laminado, Vitória –ES 2006 Autor: Marcelo Lucas
Pereira Machado; Engenheiro Metalurgista – UFF – RJ
[5] Introdução à Siderurgia, Autor: Marcelo Breda Mourão, São Paulo, ABM, ISBN: 857737-015-1, Edição: 2007.
[6] Bandeira, Raul C. Losada, José Carlos H. Queimadores Horizontais Oxi-óleo para
aquecimentos de panelas de aciaria. Contribuição técnica à ABM para ser apresentada no
seminário sobre Aciaria –COAÇO – COREF, dezembro de 1986.
[7] Vatavuk, Paulo, Influência dos tempos de espera de uma panela sobre as perdas
térmicas do aço liquido. Contribuição Técnica a ser apresentada no Seminário de Aciaria,
Refratários e Fornos Elétricos em dezembro de 1989, Rio de Janeiro.
[8] Introdução aos Processos de Refino Secundário dos Aços, 2006; Rizzo, Ernandes
Marcos da Silveira; Assunto: SIDERURGIA; Páginas: 102; Editora/fornecedor: ABM
ISBN 85-86778-94-X.
[9] CMC Steel Alabama, Commercial Metals Company. – Disponível em
<http://www.cmc.com/cmcsteelal/The-Mini-Mill-Process.aspx> Acessado em 22 de
outubro de 2009
[10] Sinobras, Siderúrgica Norte Brasil S.A – Disponível em
<http://www.sinobras.com.br/index2.php?p=meioambiente.php> Acessado em
14 de setembro de 2009
[11] Siemens VAI, Processes in the metals and mining industry – Disponível em
<http://www.industry.siemens.com/metals/en/processes> Acessado em 20 de outubro de
setembro de 2009
[12] Konus Icesa S/A, Soluções térmicas e siderúrgicas – Disponível em
<http://www.konus-icesa.com.br/port/pics/lixo3.jpg> Acessado em 22 de outubro de 2009
[13] Introdução à Siderurgia, Autor: Marcelo Breda Mourão, São Paulo, ABM, ISBN: 857737-015-1, Edição: 2007.
[14] Gallatin Steels. Ladle Metallurgy Facility- Disponível em
<http://www.gallatinsteel.com/Company/Tour/meltshopprocesses/tabid/105/default.asp>
Acessado em 05 de outubro de 2009.
[15] UCAR CARBON COMPANY , The evolution of arc furnace, highligts of new
Technologies, Columbia, 2001.
[16] As Minas Gerais - Biblioteca Interativa. – Disponível em
<http://www.asminasgerais.com.br/Zona%20da
%20Mata/TeCer/Industria/bmp/grande011.htm> Acessado em 27 de outubro de 2009.
[17] Introdução à Siderurgia, Autor: Marcelo Breda Mourão, São Paulo, ABM, ISBN: 857737-015-1, Edição: 2007.
[18] MSI, pirômetro digital – Disponível em
<http://www.msiautomacao.com.br/portfolio.html> Acessado em 10 de outubro de 2009.
[19] Universidade de Aveiro : Departamento de Geociências - Disponível em
<http://www2.geo.ua.pt> > Acessado em 02 de outubro de 2009.
[20] Bernauer, tecnologia do ar e meio ambiente, Catálogo geral de produtos e serviços.
Apêndice I
A grande preocupação para minimizar os impactos ambientais na produção de aço, está no
fato da utilização de sistemas de despoeiramento nos fornos de fusão e o aproveitamento
dos pós e das escórias resultantes do processo da fabricação do aço. Assim o que seria
prejuízo torna-se lucro e consequentemente a natureza não é tão agredida.
Os pós e as escórias do processo siderúrgico são tratados para que possam se tornar
produtos adequados para aplicação em pavimentos, lastro ferroviário e na fabricação do
cimento portland muito utilizado na construção civil. Em algumas siderúrgicas os gases
gerados no processo são reaproveitados para fornecer calor ao processo de fusão do aço e
também na geração de energia elétrica em uma termelétrica acoplada a siderúrgica,
fazendo com o que uma usina siderúrgica possa ser auto-suficiente na questão do consumo
de energia elétrica.
Em relação a utilização da água no processo de produção do aço, é feito um tratamento que
visa a recuperação e a posterior reutilização no processo. A água é um bem muito caro e
escasso então se deve ter uma atenção especial para a utilização racional deste recurso.
Figura 13 ) Sistema de despoeiramento (Bernauer, 2009)[20]